尾矿充填设计.docx
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尾矿充填设计
江苏华西尾矿治理工程有限公司
金龙矿业尾砂充填系统方案研究报告
某矿冶研究院
2011年5月
1概述1
1.1设计目的1
1.2设计依据1
1.3设计原则2
1.4设计方案2
1.5技术经济指标3
1.6存在的问题及建议4
2充填材料选择与充填方式4
2.1充填材料选择4
2.2尾砂性质及充填方式5
3充填物料平衡及充填材料用量估算5
3.1充填空区计算6
3.2尾砂年产量6
3.3充填尾砂量6
3.4尾砂胶结充填材料用量估算7
4充填方案设计8
4.1站址选择8
4.2充填方案设计9
4.3充填管路输送系统27
5充填方案比较31
5.1充填方案投资运营估算31
5.2充填方案技术经济比较40
6充填管道选择41
7其它42
7.1充填站建筑结构42
7.2充填站供水供电42
8组织机构及定员43
8.1劳动定员及工资43
8.2工作制度43
1概述
1.1设计目的
大坑矿区开采至今已有多年历史，采用地下开采。
开采对象主要是浅部的铅锌矿体、水泥用大理岩矿石，规模不大。
近两年铅锌矿石受市场影响，价格降幅较大，按目前产品品质及价格水平，基本没有利润，因此矿山被迫于2008年下半年停产。
2009年初，因矿山有几个矿段采矿证已到期，且根据三山县国土部门有关精神，该区域矿山进行资源整合，并统一规划开采。
矿山主要采用平硐或平硐-斜坡道开拓，矿用汽车运输，现已形成几十个生产系统。
各生产系统根据矿体产状特征设有2～6个不等水平中段，平硐口主要分布在300～560m标高之间，部分平硐位于矿体的上盘，各硐口均设有值班室、空压机房、配电室、简易办公房等设施。
根据《福建省三山县大坑矿区铅锌矿（整合）初步设计》，矿山设计规模为20万t/a，由金龙矿业有限公司集中规划，正规开采。
矿山前期开采混乱，采空区较多且并未进行处理，随着矿山开采规模的逐步扩大，采空区带来的安全隐患成为矿山必须解决的问题；同时，矿山尾矿排放量逐年增大，而尾矿库库容难以满足未来扩大生产的要求。
对此，矿山设计采用尾砂对采空区进行充填，并进行充填工艺研究及系统设计。
充填采矿可在解决矿山生产安全及尾砂排放带来的安全环保问题的同时，又最大化的回收了资源，实现中小矿山绿色开采，对于三山县铅锌矿和谐发展具有重要意义。
1.2设计依据
充填方案设计的主要依据是：
1）江苏华西尾矿治理工程有限公司与北京矿冶研究总院签订的《金龙矿业全尾砂高浓度充填示范工程工艺技术咨询》合同（2011年04月24日）；
2）金龙矿业有限公司提交的《福建省三山县大坑矿区铅锌矿（整合）初步设计》；
3）2011年04月金龙矿业提交的现有生产系统技术资料及生产技术经济指标等。
1.3设计原则
1）严格执行国家有关部门颁布的矿山设计的有关规程、规范和标准；
2）充分利用矿山现有的设施，减少建设投资；
3）采用先进、成熟的充填工艺及技术；
4）本着可靠性、实用性、先进性、经济性、并有实际工程应用的原则选择设备。
1.4设计方案
结合矿山生产系统情况及地质地形条件等因素，设计了方案一：
管道运输立式砂仓尾砂充填系统和方案二：
汽车运输尾砂充填系统两种技术方案。
方案一将选厂排放尾砂浆通过管道泵送至充填站立式砂仓，全尾砂浆通过添加絮凝剂加速沉降浓缩。
立式砂仓制备的高浓度尾砂浆通过流态化造浆技术活化后，自流至搅拌桶与水泥仓放出的水泥搅拌均匀，并经过充填钻孔自流至井下充填管网进行充填。
方案一配置两座立式砂仓、一座水泥仓及其搅拌装置，立式砂仓容积900m3，水泥仓容积200m3。
方案二将尾矿库中的干砂或半干砂通过挖掘、铲装设备进行回采，由汽车运输至充填站，储存在充填站卧式砂仓内。
充填作业时由尾矿造浆系统将卧式砂仓内尾砂造浆活化，自流至搅拌桶与水泥仓放出的水泥搅拌均匀，并经过充填钻孔自流至井下充填管网进行充填。
方案二配制一座卧式储料仓、一座水泥仓及其搅拌装置，储料仓容积850m3，水泥仓容积200m3。
两种方案中的生产用水泥均为散装水泥，水泥由水泥罐车运到充填站，由水泥罐车自带压缩空气系统吹入水泥仓。
水泥仓顶设有仓顶收尘器。
胶结充填时，根据设计的灰砂比提供所需的水泥量，通过由变频器控制的螺旋输送机，将水泥仓内水泥输送至搅拌桶与尾砂混合，搅拌均匀后通过充填钻孔自流至井下充填管网。
充填系统设置各种监控仪表，以监控和调节充填料浆的实际流量和浓度等各种充填参数。
充填管路系统参数为：
管径DN100，浓度>70%，料浆流量60～80m3/h。
1.5技术经济指标
充填方案主要技术经济指标见表1-1。
表1-1主要技术经济指标表
序号
指标名称
单位
数量
备注
1
设计规模
年矿石产量
万t/a
20
年尾砂充填空区
万m3/a
6.72
万t/a
3.9
年胶结充填工作天数
d/a
36
充填能力
m3/d
800
年非胶结尾砂充填量
万m3/a
4.48
万t/a
7.9
年非胶结充填工作天数
d/a
74
充填能力
m3/d
800
2
充填浓度
%
70
3
项目总投资
方案一
万元
1398.10
方案二
万元
662.39
4
运营成本
方案一
万元/a
304.40
方案二
万元/a
516.97
6
材料消耗
尾砂
万t/a
11.8
水泥
万t/a
0.51
电（方案一）
万kwh/a
67
电（方案一）
万kwh/a
2.6
7
劳动定定员
人
12
1.6存在的问题及建议
（1）方案一属于全尾砂高浓度充填，方案技术要求高，充填材料性质对系统设计影响大。
由于时间原因本项目未进行相关前期实验研究，因此相关设计缺乏严谨的基础数据支持，设计难度较大。
建议系统进行初步设计前完成系统相关的基础实验研究，如尾砂物理化学性质、尾砂流变参数实验及絮凝剂选型实验等。
（2）方案二中充填用尾砂是从尾矿库二次开采得到的，因此开采前应进行相关的尾矿库回采的安全评价及回采方案可行性研究，以确定安全合理的开采方案。
（3）金龙矿业提供的资料表明，拟设计采用的充填站站址下方距地表约200m处存在矿体，因此建议在未来开采过程中留必要矿柱并对空区进行充填，以保证充填站安全。
2充填材料选择与充填方式
2.1充填材料选择
2.1.1充填骨料
充填采矿法是一种高效、低损失贫化、安全环保的采矿方法，随着我国矿产资源开发向着可持续方向发展以及整个社会环保意识的不断加强，充填采矿法的应用越来越广泛。
目前，充填采矿的主要充填方式有分级尾砂充填、全尾砂充填、高水固结尾砂充填、高浓度全尾砂充填、废石尾砂充填、水砂充填、棒磨砂充填、隔壁集料充填、炉渣充填、赤泥充填等。
根据金龙矿业充填材料的来源情况以及矿山生产实际情况，本着采集方便，成本低，优先消纳矿山固废排放的原则，本设计选择矿山尾砂作为充填骨料。
2.1.2胶结材料
考虑到胶结充填的需要，使用胶结材料。
目前国内使用的胶凝材料有水泥、高水材料、赤泥、胶固粉、新型尾砂固结材料等，其他还有粉煤灰等辅助添加材料。
总体看来，我国充填胶结材料主要以水泥为主，本项目胶凝材料初步定为水泥，根据充填实际情况，可以通过实验探索采用当地其他胶结材料作为胶凝材料全部或部分替代水泥的可行性。
2.2尾砂性质及充填方式
2.2.1尾砂基础物理化学性质
尾砂基础物理化学性质是确定充填工艺的重要依据，矿山提供的尾砂粒度测试，测试结果见表1-2。
表1-2尾砂粒级组成
大坑矿尾砂粒级组成
粒度（mm）
产率（%）
累积率（%）
0.3000
7.84
7.84
-0.3~+0.154
20.13
27.97
-0.154~+0.105
7.75
35.72
-0.105~+0.074
10.55
46.27
-0.074~+0.048
9.8
56.07
-0.048~+0.030
11.91
67.98
-0.0300
32.02
100
从表1-2可以看出，尾砂中-30微米含量为32.02%，细颗粒含量较高，其对尾砂浓缩，充填脱水及充填体强度具有一定影响。
2.2.2充填方式
根据是否对选厂尾砂进行分级，充填方式分为分级尾砂胶结充填及全尾砂胶结充填两种方式。
分级尾砂胶结充填是国内目前运用最广泛的充填方式，其系统工艺流程、装备、自动化控制等均有成功经验可供借鉴。
全尾砂胶结充填经过几十年的发展，其理论基础、系统工艺流程、装备、自动化控制等不断创新和完善，特别是全尾砂脱水、储存、给料、充填料浆制备输送等工艺技术不断得到发展，系统技术可靠性不断提高。
考虑到金龙矿业尾砂充填大部分为处置原有空区，为增加尾砂利用率，减少尾矿库库容压力，建议金龙矿业选用全尾砂充填。
3充填物料平衡及充填材料用量估算
金龙矿业大坑矿采选生产能力20万t/a，矿体主要采用水平进路房柱法开采,少量采用留矿全面法和浅孔留矿法开采，空区留有矿柱，采空区不进行充填。
为降低采场矿石贫损指标，提高盘区间柱或顶底柱的回收率，同时为扩大生产提供更安全的开采环境，建议金龙矿业一步骤采场和盘区底部进行胶结充填，二步骤采场等其它空区采用非胶结充填。
采矿方法改造需进行相关研究工作，本方案充填量根据一步骤胶结充填，二步骤采用非胶结充填进行设计。
充填材料为选厂尾砂。
充填制备系统采用年工作330d，其中220d为料浆制备，110d进行充填作业（36d胶结充填，74d非胶结充填），矿石比重2.68t/m3。
3.1充填空区计算
式中：
——矿山年充填量，万m3/a；
——矿山采矿生产能力，
；
——井下采充比，
=0.9；
——矿石/尾砂密度，
=2.68t/m3。
3.2尾砂年产量
根据选矿厂现有工艺流程，尾砂产率85%，选厂排出尾砂料浆重量浓度20%左右。
尾砂年产量：
式中：
——尾砂年产量，万t/a；
——矿山采矿生产能力，
；
——选厂尾砂产率，%。
选厂排出尾砂干量及尾砂浆量分别为：
515t/d和2253m3/d。
3.3充填尾砂量
式中：
——年充填尾砂量，万m3/a；
K1——尾砂脱水浓缩系数，K1=1.15；
K２——充填材料流失系数，K２=1.02；
按单位充填体充填材料尾砂耗量1.5t/m3计算，得到矿山充填尾砂年耗量为：
11.8万t/a，约占尾砂年产量（17万t/a）的70%。
根据建议的一步骤胶结充填，二步骤采用非胶结充填的充填方式，经初步估算，矿山采空区充填时，尾砂胶结充填量约占全部尾砂充填量1/3。
这样年胶结尾砂量为：
＝
＝3.9万t/a。
通过充填计算可知，矿山充填料尾砂量相对富裕，考虑矿山开采现状及尾矿库储存情况，建议矿山选用全尾砂进行充填。
充填站工作制度选择间歇式充填，即先向砂仓内注砂进行浓缩，砂仓注满浓缩结束后进行充填作业。
3.4尾砂胶结充填材料用量估算
尾砂胶结充填材料采用全尾砂，胶结材料通常采用普通硅酸盐级水泥，其来源广泛，性能稳定。
根据计算，矿山充填尾砂量为11.8万t/a，其中胶结尾砂量为3.9万t/a，非胶结尾砂量为7.9万t/a。
胶结材料用量与选用的采矿方法相关，初步按高强度充填体（灰砂比＝1:
4）与低强度充填体（灰砂比＝1:
10）比例1:
4估算，得到矿山胶结材料用量为0.51万t/a。
矿山胶结充填量不大，为减少充填次数和管道冲洗水，推荐胶结充填为间歇充填方式，一方面可尽量延长每次充填的作业时间，另一方面也便于高浓度尾砂搅拌站尾砂进料、贮存等充填准备工序操作。
按矿山非胶结充填量与胶结充填量比例2:
1初步估算，年胶结充填工作日可设计为72d/a或36d/a，即前者为3天内进行2次胶结充填，每次胶结充填量减小，相应的充填配置降低；后者为3天内进行1次胶结充填。
据此计算得到不同作业方式的充填材料用量见表3-1。
表3-1充填材料用量
项目
日用量t/d
年用量万t/a
年胶结充填
高强度充填
低强度充填
高强度充填
低强度充填
合计
工作日d/a
尾砂
547.11
547.11
0.79
3.15
3.94
72
水泥
136.78
54.71
0.20
0.32
0.51
水
293.09
257.92
0.42
1.49
1.91
尾砂
1094.22
1094.22
0.79
3.15
3.94
36
水泥
273.55
109.42
0.20
0.32
0.51
水
586.19
515.84
0.42
1.49
1.91
4充填方案设计
4.1站址选择
大坑矿区为金龙矿业资源整合矿区，设计开采对象为大坑矿段、大纲矿段和寨头矿段的矿体，开采范围内主要有大小46个铅锌矿体，2个大理岩矿体。
矿体赋存标高为230~600m之间。
矿山主要采用平硐或平硐-斜坡道开拓，矿用汽车运输，现已形成几十个生产系统。
各生产系统根据矿体产状特征设有2～6个不等水平中段，平硐口主要分布在300～560m标高之间，部分平硐位于矿体的上盘，各硐口均设有值班室、空压机房、配电室、简易办公房等设施。
充填系统服务区域主要为大坑矿段及大纲矿段，充填包括非胶结充填及胶结充填。
根据矿山开采技术条件及矿区地质地形情况，确定的充填站址位于大坑三采场主平硐上山包处，标高501米。
根据矿体产状及开拓系统布置，计算的充填系统几何充填倍线见表4-1~表4~4。
表4-1大纲1#井几何充填倍线
中段
中段高
斜井管长
矿体走向长
100
200
530
515
15
30
8.67
15.33
490
40
80
4.50
7.00
465
65
130
3.54
5.08
445
85
170
3.18
4.35
437
93
186
3.08
4.15
415
115
230
2.87
3.74
400
130
260
2.77
3.54
375
155
310
2.65
3.29
325
205
410
2.49
2.98
305
225
450
2.44
2.89
285
245
490
2.41
2.82
265
265
530
2.38
2.75
245
285
570
2.35
2.70
表4-2大纲2#井几何充填倍线
中段
中段高
斜井管长
矿体走向长
100
200
530
520
10
29.24
12.92
22.92
500
30
87.71
6.26
9.59
480
50
146.19
4.92
6.92
460
70
204.67
4.35
5.78
440
90
263.14
4.03
5.15
表4-3大坑1#井几何充填倍线
中段
中段高
斜井管长
矿体走向长
100
200
530
370
160
160.00
1.63
2.25
340
190
190.00
1.53
2.05
310
220
220.00
1.45
1.91
表4-4大坑2#井几何充填倍线
中段
中段高
斜井管长
矿体走向长
100
200
530
350
180
180
1.56
2.11
334
196
196
1.51
2.02
320
210
210
1.48
1.95
293
237
237
1.42
1.84
276
254
254
1.39
1.79
250
280
280
1.36
1.71
4.2充填方案设计
大坑矿区充填材料为选厂尾砂，选厂位于三山河上部，标高80m。
矿区为高山地形，山岭沟壑纵横，地形陡峭，林区密布，选厂至充填站有盘山路。
根据充填材料运输方式的不同，可选择的充填方案有管道输送立式砂仓尾砂充填系统及汽车运输尾砂充填系统。
4.2.1方案一：
管道输送立式砂仓尾砂充填系统
该方案采用管道输送尾砂浆至充填站，通过立式砂仓制备高浓度尾砂浆，充填站配制水泥仓，尾砂浆与水泥通过搅拌桶搅拌均匀后通过充填钻孔自流输送至采空区进行充填。
工艺流程见图4-1。
充填站配制
立式砂仓高浓度充填系统包括全尾砂给料线、水泥储存给料线、补给水（调浓水）给料线及充填料搅拌输送线等子系统构成，分别描述如下：
（1）全尾砂给料线
根据矿山现有尾矿流程，进入立式砂仓的尾砂浆只能来自选厂尾砂排料口，尾砂浆浓度20%左右。
来自选厂的尾砂浆直接泵送至立式砂仓，通过添加絮凝剂，使尾砂加速沉降，仓顶澄清水自流回至选厂回收利用，仓底制备的高浓度尾砂浆通过风水联动装置进行活化造浆，为充填稳定提供高浓度的尾砂浆。
选厂处理能力为600t/a，每天排放尾砂量约为510t，尾砂浆约2300m3。
矿山年充填尾砂量为1074t/d，约占尾砂产量的70%。
由此可计算出尾砂充填时浓缩尾砂浆体积，见表4-5。
表4-5不同浓度条件下每次胶结充填尾砂浆量体积
料浆浓度（%）
60
65
70
72
75
料浆体积m3
1117.08
979.34
861.28
818.65
758.97
由表4-5可知，当料浆浓度为70%~75%时，料浆体积为758.97~861.28m3，即每次充填时要求立式砂仓至少能够贮存758.97~861.28m3的料浆，考虑矿山充填灵活性及立式砂仓的料浆制备能力，设计建造两座立式砂仓，单座砂仓几何容积设计为约900m3。
按立式砂仓容积900m3设计，立式砂仓直径9m，筒仓高12m，圆锥体高6m，总高18m，圆锥角70度。
由于全尾砂粒级较细，自然沉降速度慢，严重影响立式砂仓料浆的制备能力，并且砂仓溢流水中常含有大量细颗粒，特别是当沉降面逐渐上升后，溢流浓度将越来越高，严重污染影响仓顶溢流的排放。
对此，本项目提出了两种解决方案：
方案一，立式砂仓采用间断式注砂，砂仓注满尾砂浆后进行自然沉降，沉降结束后排放澄清水，两个砂仓交替进行；方案二，立式砂仓采用连续注砂，全尾砂浆通过添加絮凝剂加速尾砂沉降速度，立式砂仓仓底浓缩尾砂浆的同时仓顶进料，澄清水通过溢流管排出。
方案一具有系统投资小，砂仓浓缩尾砂浆浓度高的优点，但尾砂沉降速度慢，立式砂仓注砂时间长，料浆制备效率低，，料浆制备效率低，溢流水含砂量不稳定，影响回水利用效率；方案二投资较高，絮凝剂的添加增加了系统运营成本，但尾砂沉降速度快，仓底尾砂沉降浓缩的同时，仓顶进料，溢流水澄清易于循环利用，通过综合对比，本项目选择方案二，添加絮凝剂加快尾砂沉降脱水的浓缩方式。
充填作业3天为一个循环工序，两天进行砂仓注砂浓缩工作，一天进行充填工作。
砂仓底部高浓度尾砂浆由于长时间压缩，产生固结，通过砂仓底部的风水联动流态化造浆装置使砂浆活化，并进行放砂。
放砂管上安装有浓度计、电磁流量计及电动调节阀以对放砂参数进行控制，使立式砂仓放出合格的尾砂浆。
（2）水泥储存给料线
当地生产的32.5级硅酸盐水泥由散装水泥罐车运至充填站，通过吹灰管卸入水泥仓中。
根据矿山胶结充填要求，按胶结充填量占矿山充填的1/3及灰砂比1:
4计算，每次胶结充填最大水泥用量为273.55t，设计水泥仓容积为200m3。
水泥仓直筒边长5m，直筒段高度6m，锥底角度55度，锥底高4m，出口边长0.3m。
水泥仓顶设置有除尘器、雷达料位计及检查孔。
仓底安装有φ250*2500双管螺旋输送机。
充填时打开双管螺旋输送机的闸板法，开启双管输送机即可向搅拌桶添加水泥，双管螺旋电机采用变频调速，通过改变电机输入频率可改变双管螺旋输送机转速进而改变水泥输送量，满足充填配比要求。
（4）调浓水供给线
当充填料浆浓度过高时，须向搅拌机供给适当的水以对充填料浆浓度进行调节，系统设置调浓水供给线。
调浓水来自供水管线（或高位水池），供水线上安装有电磁流量计、电动调节阀及手动阀，调浓水量由电磁流量计检测，电动调节阀调节。
（5）充填料搅拌输送线
全尾砂浆、水泥及调浓水经各自的供料线按设计配比供给φ2000×2100高浓度搅拌桶，通过搅拌桶搅拌均匀后经测量管进入下料斗，最终进入充填钻孔并通过充填钻孔及井下管网自流至采空区进行充填。
测量管上安装有电磁流量计及γ射线浓度计，以对充填料浆流量及浓度进行检测。
图4-1立式砂仓高浓度充填系统流程图
4.2.1.2设备仪表选择
根据充填站配置及充填材料用量，为便于计量、控制及操作，选定充填站主要设备仪表见表4-6。
表4-6充填站主要机械设备配置表
名称及规格
单位
数量
备注
高浓度搅拌槽φ2000×2100
台
1
双管螺旋输送机
台
1
除尘器
台
1
微机工业密度计
台
1
空压机
台
1
离心清水泵
台
2
事故池立泵
台
1
电磁流量计
台
2
重锤物位计
台
1
雷达液位计
台
2
电动弧形铸石阀DN150
只
3
电动铸石球阀DN150
只
1
电动球阀DN65
只
6
电动球阀DN80
只
1
电动管夹阀DN150
只
2
电动管夹阀DN100
只
1
手动管夹阀DN150
只
1
手动闸阀DN100
只
1
手动闸阀DN80
只
1
无缝钢管，φ168×8
米
50
无缝钢管，φ89×4.5
米
200
无缝钢管，φ65×5
米
250
钢管
米
100
4.2.1.3工艺及控制流程
选厂尾砂浆通过水隔离泵，采用两级接力输送方式由选厂泵送至充填站立式砂仓，尾砂浆浓度20%左右，流量约100m3/h。
尾砂浆在立式砂仓内通过添加絮凝剂加速沉降，尾砂颗粒自由沉降至仓底并浓缩，澄清水上行到砂仓上部或顶部并通过溢流槽返回选厂重复利用或并入至尾砂坝管路，自流至尾矿库。
待立式砂仓内浓缩料浆尾砂量满足单次胶结充填量要求时停止注砂。
经过长时间沉降、浓缩，仓底尾砂固结。
采用高压水气联合流态化造浆，制备的高浓度尾砂浆由仓底连续稳定流出，进入搅拌桶，并与水泥仓输送至搅拌桶的水泥搅拌混合均匀，通过充填钻孔自流至井下，钻孔与中段巷道连接，料浆通过中段巷道内充填管线输送至采空区进行充填。
散装水泥由水泥罐车运到充填站，由水泥罐车自带压缩空气系统吹入水泥仓。
水泥仓顶设有仓顶收尘器。
充填站系统设置各种监测控制仪表，以便采集和控制充填运行状况，集中控制室操作，立式砂仓顶设有仓顶料位计，当仓内尾砂浆面上升至仓顶时即时停止供料；仓底管道设有浓度计、流量计和调节阀，以控制和调节充填参数。
水泥仓内设有料位计，对料位进行监视；充填时的水泥量由水泥仓底的双管螺旋输送机进行计量和控制。
搅拌桶上设有液位计，监视和控制搅拌桶内液面的高度，并反馈控制仓底调节阀的开启度。
尾矿输送
（1）尾矿输送基本参数
（a）充填干量:
510t/d
（b）尾矿比
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